Yaahp软件在桥梁健康监测评价中的应用

卢秀丽

(苏州市建设工程质量检测中心有限公司,江苏 苏州 215000)

0 引言

随着桥梁建造完成并投入使用,因受到车辆荷载作用及自然环境气候的影响,桥梁必定会出现不同程度的损伤[1]。为及时掌握桥梁损伤状况,防止桥梁垮塌等严重工程安全事故的发生,应及时掌握城市桥梁的运营及健康情况,并对桥梁做出科学、合理的检测评估判断[2]。20世纪80年代以来,国内外专家学者对桥梁安全性开展了广泛的研究,先后提出了层次分析法、神经网络分析法、灰色理论分析法、模糊综合评价法等[3],本文在相关调研成果的基础上,选取上部结构、下部结构、桥面系为一级指标,选取沉降(主梁竖向位移)、主梁关键截面应变、主梁竖向振动加速度、裂缝、巡视检查、桥墩竖向位移、高墩墩顶位移、桥墩顶部纵向振动加速度、伸缩缝等为二级指标,设计构建了基于梁式桥的桥梁健康监测评价模型,以期为国内桥梁健康监测评价提供参考和借鉴。

1 层次分析法概述

层次分析法简称AHP,是美国运筹学家Saaty在20世纪70年代初提出的一种定性与定量相结合的多目标决策分析技术[4-6]。该技术方法原理简单,在桥梁技术状况评估领域被广泛应用,其基本原理是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,并将各因素形成有序的递阶层次结构,将决策者的经验进行量化,由领域专家或者是权威决策者对选出的指标按照重要程度进行两两比较。利用计算判断矩阵的特征向量确定下层指标对上层指标的贡献程度或权重,从而得到最基层指标对于总体目标的重要性权重排序,为最佳方案的选择提供依据[7-8]。它的实质是一种思维模式,首先通过把实际问题分解成多个因素,建立层次结构,再比较各因素间的相对重要性,通过矩阵运算,确定各方案的优劣程度,最后作出最优决策。

2 层次分析法在桥梁健康监测评价中的应用

2.1 桥梁健康评估模型建立

因为评估理论及评估方法不同,桥型多样,评估模型有不同的建立原则。针对苏州市政桥梁梁式桥的数量相对占比较大,因此本次研究主要对梁式桥进行分析。层次分析法将桥梁结构整体分割成相对独立的部分,按各自的指标分块评估,再用适当的标准聚合成整体。本文主要研究基于监测技术的市政桥梁层次分析法,参考行业标准JTG/T H21—2011公路桥梁技术状况评定标准[9]和JT/T 1037—2012公路桥梁结构监测技术规范[10]中对于桥梁部件的划分和监测项目的规定,此次评估按部件来进行一级指标的划分,分为上部结构、下部结构、桥面系,二级指标同时结合人工检查与设备监测,关注关键位置、关键项目,建立如表1所示的层次模型。

表1 基于监测技术的桥梁状况评估模型

2.2 构造成对判断矩阵

成对判断矩阵是指针对上一目标层,来计算本层中与之相关的因素间的相对重要性。由于实际问题的复杂性或事物间本身属性的不同,各事物间不具备严格意义上的可比性,因此重要性程度通过抽象意义上的语言进行描述,例如同等重要、稍重要、更重要、远远重要等语言表达某事物比另一事物重要性程度,把重要性程度附值于数字1,3,5,7,9等,组成的矩阵为1—9标度矩阵[11],例如成对判断矩阵A:

本研究通过专家打分的形式,对成对判断矩阵中的因素赋值取平均值,则得出本次研究的成对矩阵,如表2—表5所示。

表2 总目标层下指标层各因素比较

表3 上部结构指标下各因素比较

表4 下部结构指标下各因素比较

表5 桥面系指标下各因素比较

2.3 层次单排序及一致性检验

以上述表格中的总目标层与中间层的矩阵为例进行层次单排序,本次研究使用Yaahp软件对权重的计算进行简单化处理。

Yaahp软件中是一款元决策程序,基于层次分析法为决策过程提供模型构造、计算和分析,此前已被学者和研究人员在多个领域用于目标分析、辅助决策,如目标筛选、权重确定等。根据建立的评估模型,使用Yaahp软件建立基于监测技术的桥梁状况评估模型,如图1所示。

在Yaahp软件中输入对应的层级关系和成对比较矩阵的比较数值,操作界面如图2—图5所示。

利用Yaahp进行计算,得出结果分别为:

总目标层λmax=3.000,CR=0;

上部结构准则层λmax=5.270 2,CR=0.060 3;

下部结构准则层λmax=5.377 6,CR=0.084 3;

桥面系准则层λmax=3.053 6,CR=0.051 6。

显示CR<0.1,一致性检验通过,通过层次分析法计算得到的权重值如图6所示,整理成表格,见表6。

表6 基于监测技术的桥梁技术状况评估权重表

从表6可以看出,在桥梁健康监测评价设置的13个影响因素中,权重占比前三名的分别是主梁竖向位移、桥墩竖向位移、高墩墩顶位移。桥梁健康监测评价权重条形图如图7所示。

3 结语

本文介绍了层次分析法的基本概念,建立了桥梁健康监测评价模型,并利用Yaahp软件以定量和定性相结合的方式,确定了各评价指标的权重,具有较强的可操作性,拓展了桥梁健康监测评价的新路径,提高了评价效率,有利于城市中小型梁式桥的标准化评估,为桥梁健康监测评价提供了便捷的手段。

考虑到桥梁形式多样,桥梁健康监测在监测内容、监测方法等方面的差异,不同桥梁在评价模型的构建过程中,需从实际出发结合桥梁特点对指标进行选取优化,以准确反映桥梁的健康状况,评价过程中尚需结合监测实况调整和改进指标体系,使其能够及时科学地反映桥梁健康状况和变化趋势。